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5 Technische Physik und Mechatronik in der Lehre
Seit Ende des Jahres 2006 sind
wir im Physikgebäude auf der ersten Etage beheimatet. Obwohl
wir dem alten
Domizil aus Kaiser’s Zeiten mit den dicken Mauern und dem
schönen Innenhof in
der Jebensstraße einige Zeit nachtrauerten, erwies
sich der neue Standort auf
dem Stammgelände der TU doch als Glücksfall.
![](P-N.jpg)
Das neue Physikgebäude an der Hardenbergstraße in Charlottenburg
ist seit Oktober 2006 Sitz des FMT
Wir
erhielten für unsere
Mitarbeiter mehr Büroräume, können einen
ausreichend großen Hörsaal nutzen, in
dem wir alle unsere praktischen Übungen veranstalten
und haben nun endlich unsere
feinmechanische Werkstatt im Mittelpunkt des
Geschehens, so dass sie eine
zentrale Anlaufstelle für alle Mitarbeiter darstellt
und damit eine erheblich
effektivere Zusammenarbeit und bessere praktische Ausbildung
der Studierenden
ermöglicht. Dabei ist die frühe
Diskussion mit den Mitarbeitern unserer
Werkstatt bei der Erarbeitung konstruktiver Lösungen
von großer Bedeutung, indem
die gelegentlich unrealistischen Vorstellungen der Studierenden zur
Fertigung
der Einzelteile sowie zum Werkstoff in die richtigen Bahnen
gelenkt werden.
Aufgrund der zunehmend mechatronischen Ausrichtung bei der
Produktentwicklung
gewinnt auch die Abstimmung der mechanischen,
elektronischen und optischen
Funktionen bei der Optimierung des Gesamtprodukts ein
große Rolle, so dass
die Einbindung der Studierenden in den Entwicklungsprozess für
deren spätere
Tätigkeit in der Industrie eine wichtige Vorübung
darstellt.
Die
neuen Bachelor- und Masterstudiengänge
In der Lehre ergaben sich für meine
Assistenten und mich große Umwälzungen, da im Rahmen des
Bologna-Prozesses ein einheitliches europäisches Ausbildungssystem
geplant wurde, das zur Abschaffung unseres 100-jährigen und
höchst erfolgreichen Abschlusses „Diplomingenieur“
führte und dahingegen die Abschlüsse „Bachelor“
und „Master“ vorsah. Obwohl sich die Hochschullehrer der
ingenieurwissenschaftlichen Fächer an der TU Berlin lange gegen
diese Umstellung wehrten, kamen wir nicht umhin, ab 2005
regelmäßige Treffen anzusetzen, um dabei die Lehrinhalte
für die Bachelor- und Masterstudiengänge mit Blick auf die
Synergien der einzelnen Fächer der Fakultät V festzulegen.
Alle beteiligten Hochschullehrer mussten daher ihr Lehrangebot
abändern, da die Diplomstudiengänge bis zum Herbst 2012
weiter geführt werden sollten, gleichzeitig aber auch die
Bachelor- und Masterstudiengänge starteten. Allerdings bestand nun
endlich die Chance, das Lehrangebot zu ergänzen, indem ich eine
von den Arbeitgebern der Industrie monierte Ausbildungslücke
ausfüllte und für Studierende der Bachelorstudiengänge
der Fakultät V die Veranstaltung „Messtechnik und
Sensorik“ anbot. Tatsächlich stellte es sich heraus, dass
noch ein weiter führender Bedarf an Lehrveranstaltungen mit
modernen Inhalten bestand, wobei vor allem die Vermittlung praktischer
Kenntnisse gefragt war. Für unsere Bachelors bieten wir daher das
Aktorik-Projekt / Bachelor und für die Master das Projekt Aktorik
und Sensorik an. Seit einigen Jahren wird dieses Lehrangebot durch
unser Mastermodul „Elemente der Mechatronik“ komplettiert.
Lehrveranstaltung Messtechnik und Sensorik
Vor dem Hintergrund, dass im modernen
Maschinenbau verstärkt mechatronische Inhalte gefordert werden und
daher eine tiefer gehende elektrotechnische / elektronische Ausbildung
notwendig ist, begannen wir mit der Ausarbeitung von Lehrinhalten, um
den Studierenden der Fakultät V in der neuen Lehrveranstaltung
„Messtechnik und Sensorik“ aktuelle messtechnische Methoden
zu vermitteln. Gemäß einer Befragung der Studierenden des
Maschinenbaus wurde die bisherige Ausbildung auf dem Gebiet der
Elektrotechnik / Elektronik als unbefriedigend empfunden, so dass kaum
Interesse bestand, sich mit Grenzgebieten des Maschinenbaus und der
Elektrotechnik zu beschäftigen. Als Gründe wurden genannt:
fehlende „hands-on“-Praxis in den Übungen / Praktika,
mangelnde Vermittlung von Grundlagen, veraltete Übungs- und
Lehrinhalte. Schließlich fehlte auch eine Ausbildung in der
Messtechnik. Jedoch werden spätestens bei der Bearbeitung der
Bachelor- und Masterarbeiten die einschlägigen Fertigkeiten
benötigt. Das dann zusätzliche Selbststudium verschlingt
wertvolle Zeit und verzögert den Studienabschluss.
Glücklicherweise standen zu diesem
Zeitpunkt durch das Projekt „Offensive Wissen durch
Lernen“ (OWL) seitens des TU-Präsidiums finanzielle Mittel
zur Verfügung, die es uns ermöglichten, eine komplett neue
Lehrveranstaltung, d. h. Vorlesungen und Praktika, im Verlauf eines
Jahres auszuarbeiten und die erforderlichen Geräte zu beschaffen.
Wir planten die Einrichtung von insgesamt 18 Arbeitsplätzen mit
zwei Studierenden pro Arbeitsplatz und rechneten mit etwa 200
Teilnehmern, die jeweils im Wintersemester an mehreren Tagen pro Woche
praxisorientierte messtechnische Experimente durchführen.
Tatsächlich erschienen gleich zu Beginn mehr als 350 Studierende.
Gegenwärtig erleben wir etwa 380 Teilnehmer bei dieser
Veranstaltung. Da unser Übungsraum bereits bei mehr als 40
Teilnehmern überfüllt ist, finden die Übungen an drei
Wochentagen jeweils von 8 bis 20 Uhr statt, wobei je ein/e Assistent/in
und ein/e Tutor/in die Übungen betreuen.
Die Messtechnik stellt für die
Überwachung, die Steuerung und die Qualitätskontrolle in der
Produktion sowie den Betrieb von Maschinen und Anlagen eine
Basisdisziplin dar. Für die Planung von Prozessen muss daher die /
der Ingenieur/in die Grundlagen des Messens beherrschen, angefangen vom
grundsätzlichen Verständnis der naturwissenschaftlichen
Prinzipien, die zur Messwertaufnahme dienen, bis hin zu den Feinheiten
der EDV-gestützten Überwachung und Automatisierung im
Produktionsprozess.
Die Messtechnik war bisher nicht Bestandteil
der Ausbildung im Grundstudium des Maschinenbaus. Diese Lücke
wurde mit der Veranstaltung „Messtechnik und Sensorik“
geschlossen. Eng gekoppelt an die zweistündige Vorlesung erlangen
die Studierenden in den Übungen praxisgerechte Kenntnisse von
Messprinzipien und Messmethoden. Durch Demonstrationsversuche wird in
den Übungen das Verständnis der physikalischen Prinzipien
erarbeitet. Anhand verschiedener Messaufgaben mit vorkonfigurierten
Geräten lässt sich somit ein praktischer Vergleich der
unterschiedlichen Messverfahren und -techniken, z. B. zur Längen-,
Kraft-, Drehmoment-, Druck-, Temperatur- und Beschleunigungsmessung
durchführen. Ziel ist es, Fachkompetenz aufzubauen, um bei
konkreten Messaufgaben aus der Vielzahl möglicher Lösungen
eine problemgerechte Auswahl zu treffen.
Außer der Betrachtung des Preis- /
Leistungsverhältnisses oder der Robustheit der möglichen
Messprinzipien, liegt der Schwerpunkt auf dem Messen von
nichtelektrischen und elektrischen Größen mit elektrischen
und optischen Verfahren sowie der elektronischen Weiterverarbeitung der
Signale. Wesentlich ist dabei, praktisches Know-how mit modernem
Messequipment aufzubauen. Hierzu zählen: Digital- und
Speicheroszilloskope, Trägerfrequenzverstärker,
Frequenzanalysatoren, Verstärker- und Logikschaltungen, optische
Messgeräte sowie die Datenaufnahme und -auswertung mit dem PC.
Im Ergebnis streben wir an, den Studierenden
nachhaltige Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik sowie der
Messtechnik und Sensorik zu vermitteln. Die Veranstaltungen festigen
und vertiefen die von allen Studierenden als notwendig erachteten
Kenntnisse klassischer physikalischer Disziplinen und stärken
durch anwendungsnahe sowie modern ausgestattete Übungen den
geforderten Praxisbezug des Studiums.
![](Messtechnik.jpg)
An der Konzeption und der Detailgestaltung
der Übungen waren alle Assistenten des Fachgebiets sowie eine
Reihe Studierender beteiligt. Sie entwickelten im Rahmen ihrer Studien-
oder Diplomarbeiten geeignete Demonstratoren und arbeiteten die
Unterlagen für die praktischen Übungen aus. Das Ergebnis kann
sich sehen lassen: wir haben eine völlig neue Lehrveranstaltung
geschaffen, die den Bachelorstudierenden praktische Kenntnisse
über die modernen messtechnischen Methoden sowie den richtigen
Einsatz von Messinstrumenten vermittelt, so dass wir nach der
Einführung und Erprobung dieser Lehrveranstaltung vom
Präsidium der TU Berlin das Prädikat „sehr
erfolgreich“ verliehen bekamen.
Lehrveranstaltung Elemente der Mechatronik
Nach dem Erfolg der „Messtechnik und
Sensorik“, forderten die Studierenden eine weiterführende
Veranstaltung für den Masterstudiengang. Ich entschloss mich
daher, einen Kurs „Elemente der Mechatronik“ auszuarbeiten,
eine zweistündige Vorlesung mit wöchentlichen Übungen.
Ziel ist es, das Zusammenwirken der mechanischen, elektrischen und
elektronischen Komponenten in technischen Geräten zu analysieren,
um bei den Studierenden das Denken in Systemen zu erwirken. Dabei gilt
es, die Studierenden anzuleiten, diese Denkweise auf die
Produktgestaltung zu übertragen, so dass die Fähigkeit
heranreift, innovative Produkte durch die Zusammenführung von
Funktionselementen aus unterschiedlichen Disziplinen zu entwickeln.
Hierbei ist die synergetische Kopplung mechanischer, elektrischer und
informationstechnischer Elemente entscheidend, um den hohen
Integrationsgrad zu erreichen, der zur Marktreife und
Wettbewerbsfähigkeit eines Erzeugnisses führt. Darüber
hinaus lassen sich durch die Einbeziehung von Sensoren, Aktoren,
Mikroprozessoren und „intelligenten“ Werkstoffen in den
Entwicklungs- und Fertigungsprozess der Aufbau und die Montage eines
Produkts vereinfachen. Gleichzeitig sinken die Fertigungskosten,
wohingegen die Funktionsvielfalt und die Leistungsfähigkeit
steigen, so dass dieses einheitliche Vorgehen bei der Konstruktion
entscheidende Ansätze zur Vereinfachung des Aufbaus sowie zur
Schonung von Ressourcen und Werkstoffen bietet, und es gelingt die
Entwicklung nachhaltiger Produkte. Da der Konstruktionsprozess alle
Disziplinen der Ingenieurwissenschaften einbezieht, wird im
industriellen Umfeld bei der Entwicklung und Fertigung moderner
industrietechnischer Produkte eine übergreifende Ausbildung und
Denkweise gefordert. Dies gilt insbesondere für die
Medizintechnik, Robotik und Energietechnik sowie für die Antriebs-
und Automobiltechnik.
Die Vorlesung vermittelt daher das Know-how
zur Aufnahme und Beurteilung des dynamischen Verhaltens mechanischer
und elektrotechnischer Komponenten. Hierzu zählen der Einsatz des
Frequenzgangs, der Übertragungsfunktion sowie einfacher
Testfunktionen zur Beurteilung des dynamischen Verhaltens eines
Systems. Durch die Anwendung der Laplace-Transformation lassen sich
dann die Zusammenhänge bei der Analyse des dynamischen Verhaltens
erkennen und anhand der Bewegungsgleichungen studieren. Damit wird die
Basis zur Einführung der Studierenden in die klassischen
regelungstechnischen Verfahren geschaffen.
![](../Lehre/Mechatronik%20SS2012.JPG)
Die Übungen vermitteln
hierzu praktische Kenntnisse, indem zunächst das dynamische
Verhalten mechanischer und elektromechanischer Beschleunigungssensoren
untersucht wird. Dem schließen sich analytische und
experimentelle Untersuchungen elektromechanischer Linearwandler an, um
damit eine einfache Positionsregelung eines Linearmotors aufzubauen. Es
folgt die Betrachtung verschiedener Kleinmotoren mit der Aufnahme von
Kennlinien. Die letzte Übungseinheit nutzt das bisher erworbene
Know-how, um zunächst das dynamische Modell eines Kleinmotors im
Zustandsraum aufzustellen, um damit einen PID-Regler auszulegen, dessen
Wirkungsweise anhand der Variation der Regelparameter und verschiedener
Belastungsfälle bei der Regelung eines Gleichstrommotors
untersucht wird.
Die Veranstaltung erhielt sofort nach ihrer
Einführung viel Zuspruch. Konzipiert war der Kurs zunächst
für Maschinenbauer im Masterstudium, um eine Brücke zur
Elektro- und Regelungstechnik zu vermitteln. Tatsächlich kommen
Studierende aus allen Fachrichtungen der Fakultät V zu uns.
Die Vorlesungen und Übungen werden im Sommersemester von über 70
Studierenden verschiedener Masterstudiengänge besucht. Nach
Aussage der Studierenden besteht ein sehr großer Bedarf an diesen
Lehrinhalten, da sie ein tieferes Verständnis des Verhaltens von
Systemen vermitteln und sie für ihr zukünftiges Berufsleben
solide und ausbaufähig vorbereiten.
Aktorikprojekt
Bei der Bachelor- und
Masterausbildung erhalten die Studierenden nur wenige Möglichkeiten,
ihre theoretischen Kenntnisse anhand von praktischen Arbeiten zu
erproben. Abhilfe bieten so genannte Projekte, wobei erstmals gezielt
Know-how für die Produktentwicklung abgerufen wird. Wichtig ist hierbei
insbesondere, dass die Studierenden lernen, die Aufgaben im Team zu
bewältigen.
In unserem Aktorikprojekt für Bachelor
entwickeln die Studierenden elektromagnetische Linearaktoren, wobei
sowohl Lorentzkraft- als auch Reluktanzantriebe mit geringer
Energieaufnahme und kompakten Formen gefordert sind. Dabei verfolgen
verschiedene Gruppen unterschiedliche Lösungsansätze, welche sie in
einer wettbewerbsähnlichen Situation ausarbeiten. Die Festlegung des
Konzepts geschieht noch unter dauernder Anleitung. Danach sind
konstruktive Lösungen zur Ausführung des magnetischen Kreises gefragt,
welche durch 3D-CAD-Modellierung mit dem Programm SolidWorks und die
Berechnung der Kräfte mit dem FE-Programm MAXWELL zur Optimierung des
Entwurfs führen und erhebliches Engagement der Studierenden fordern.
Die
Projektteilnehmer wählen dann geeignete Werkstoffe aus und ermitteln
anhand von Recherchen Lieferanten, die weich- und permanentmagnetische
Komponenten in geeigneten Abmessungen sowie auch mit entsprechenden
magnetischen Kennwerten liefern. Weiterhin fertigt jede Gruppe auf der
fachgebietseigenen Spulenwickelmaschine Antriebsspulen. Es folgen der
Aufbau funktionsfähiger Aktoren sowie die Messung ihrer statischen und
dynamischen Kennwerte. Zum Abschluss des Projekts werden die Resultate
allen Mitgliedern des Fachgebiets im Rahmen eines Seminarvortrags
vorgestellt und kritisch diskutiert. Außerdem fertigt jede Aktorgruppe
einen Schlussbericht an, welcher den Projektablauf festhielt und die
Messergebnisse darlegt.
Es
ist zu beobachten, dass der Eifer und die Begeisterung der
Projektteilnehmer mit zunehmender Dauer der Veranstaltung wachsen und
am Projektende eine überwältigende Resonanz vorliegt. Zu Projektbeginn
ist es noch schwierig, die Teilnehmer für die Aufgabe zu begeistern.
Jedoch engagieren sich die Studierenden in zunehmendem Maße und nutzen
die Möglichkeit, frei und kreativ Lösungswege zu finden. Erstmals
können sie mit den im Studium erworbenen Kenntnissen ein Produkt
entwickeln. Dabei stellt die Inbetriebnahme des Aktors und die
Feststellung, dass dieser tatsächlich die berechneten Eigenschaften
ausweist, ein überwältigendes Erlebnis dar.
![](Projekt-Master.jpg)
Bei unserem Aktorikprojekt für Master
entwickeln die Projektteilnehmer eine Kamera für die Mikromontage. Um
das optische System vor Verunreinigungen zu schützen, befinden sich das
Objektiv und der Bildaufnehmer in einem Gehäuse. Da die Kamera je nach
Objektabstand ein scharfes Bild auf dem Bildaufnehmer liefern soll,
wird eine Linse längs der optischen Achse mit Hilfe eines Elektromotors
bewegt, der sich außerhalb des Gehäuses befindet. Zur Übertragung der
Bewegung des Antriebssystems auf die beweglichen Fokuslinsen innerhalb
des Gehäuses ist eine Magnetkupplung erforderlich. Die Abstandsmessung
zur Bestimmung des Objektabstands ist in der Kamera integriert. Hierfür
ist mindestens ein geeigneter Sensor auszuwählen.
Bei
den Projektteilnehmern handelt es sich in diesem Fall um Studierende,
die meist kurz vor dem Masterabschluss stehen und daher von vornherein
mit enormer Motivation und Interesse die Aufgabe bearbeiten. Da auch
hierbei mehrere Gruppen gebildet werden, entsteht ein freundlicher
Wettbewerb, bei dem häufig sehr interessante Lösungswege eingeschlagen
werden. Das Engagement geht sogar so weit, dass die Projektteilnehmer
die Signale des Bildaufnehmers und des Abstandssensors nutzen, um eine
Autofokuskamera zu entwickeln. Die Präsentation der Ergebnisse bildet
dann den Höhepunkt der Veranstaltung, bei dem die Studierenden mit
großem Stolz ihre Autofokuskamera vorstellen und deren Funktion
demonstrieren.
Fazit zur Umstellung der Studiengänge
Die TU Berlin startete im Wintersemester 2006
/ 2007 mit den Bachelorstudiengängen. Ab 2009 / 2010 folgten die
Masterstudiengänge.
Ich
wehrte mich lange gegen diese tiefgreifende Änderung des
Ingenieurstudiums, da mit der Modularisierung des Lehrangebots und der
Einführung des internationalen Punktesystems abzusehen war, dass die
Studierenden nur noch die „notwendigen“ Lehrveranstaltungen besuchen
werden. Weiterhin bezweifelte ich, dass der Abschluss „Bachelor“
tatsächlich eine Berufsbefähigung vermittelt. Da es aber nicht möglich
war, länger dem politischen Druck zu widerstehen, beschloss ich, die
Lehrveranstaltungen mit meinen Assistenten bestmöglich auf die neue
Form des Studiums umzustellen und mit Blick auf die von der Industrie
gewünschte mechatronische Ausrichtung noch mehr Praxisnähe zu
unterrichten. Wir bauten daher neue experimentelle Einrichtungen auf,
welche in noch stärkerem Maße als bisher mechanische, elektronische und
informationstechnische Inhalte verknüpfen, damit die Studierenden
eigenständig den Umgang mit Messapparaturen und technischen Geräten
erlernen und üben können. Dazu fertigten wir viele begleitende Skripte
und Laboranweisungen. Zu den völlig neuen Lehrveranstaltungen erstellte
ich die Vorlesungsinhalte, Präsentationsfolien und Vorlesungsskripte.
Trotz gleichzeitiger Fortführung der
auslaufenden Diplomstudiengänge bauten wir zeitgenau fünf Bachelor- und
fünf Mastermodule auf, die sich inhaltlich und bezüglich des
Studienverlaufs zeitlich sinnvoll ergänzen. Diese sind
für das Bachelorstudium:
• Messtechnik und Sensorik
• Feinwerktechnik und elektromechanische Systeme
• Geräteelektronik
• Engineering Tools / Bachelor
• Aktorik-Projekt / Bachelor
für das Masterstudium:
• Elemente der Mechatronik
• Photonik
• Digitalelektronik und Mikrocontrollerprogrammierung
• Engineering Tools / Master
• Projekt Aktorik und Sensorik / Master
Parallel zu der Umstellung des Studienablaufs
akquirierten wir in dieser Zeit eine Reihe großer Forschungsprojekte,
so dass mein Fachgebiet personell enorm expandierte. Ich finanzierte 17
vollbeschäftigte wissenschaftliche Mitarbeiter, die ich
glücklicherweise auch in der Lehre einsetzen konnte. Dabei ist es vor
allem deren Können und Engagement zu danken, dass uns die Umstellung
der Lehre relativ reibungslos gelang. Allerdings ist es auch eine
beträchtliche logistische Leistung, die vielen Studierenden in kleinen
Arbeitsgruppen in dem großen experimentellen Geräteangebot zu
unterrichten sowie die erbrachten Studienleistungen verständnisnah und
individuell zu prüfen.
Jedes beginnende Semester erfordert eine
präzise Vorausplanung des Personaleinsatzes und der Raumbelegung. So
sind die Räume des FMT infolge parallel verlaufender Veranstaltungen
völlig ausgelastet, obwohl ich zusätzlich für die Grundlagenvorlesung
„Messtechnik und Sensorik“ mit 350 Hörer/innen den großen Hörsaal H 104
im Hauptgebäude nutzen muss.
Alle unsere Module wurden von den
Studierenden begeistert aufgenommen, so dass wir - auch bedingt durch
die noch verbliebenen Diplomstudierenden - im Wintersemester 1.500 und
im Sommersemester 1.200 Teilnehmer in allen unseren Vorlesungen,
Übungen, Projekten, Seminaren und Kolloquien pro Woche zählen konnten.
Insgesamt stellt sich das Team des FMT tapfer
diesen hohen Studierendenzahlen und bietet gleichzeitig eine höchst
moderne, stark mechatronisch geprägte Ausbildung an, die für jede/n
Ingenieur/in eine solide und zukunftsgerechte Grundlage für sein / ihr
Berufsleben bildet.
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